簡易電能質量檢測儀的設計

南華大學電氣工程學院 董招輝 陽璞瓊 歐陽宏志 陳文光

簡易電能質量檢測儀的設計

南華大學電氣工程學院 董招輝 陽璞瓊 歐陽宏志 陳文光

本文以2016年湖南省大學生電子設計競賽C題為依據，設計的簡易電能質量監測電路以STM32F407ZGT6單片機為控制核心，通過STM32F407芯片內部的A/D轉換器、32位定時器采集、捕獲經過硬件衰減電路及波形變換電路的輸入交流電壓、電流信號，結合STM32F407的DSP處理功能（FFT）對輸入信號進行計算，可以快速、準確地實現對工頻交流電的頻率、相位差、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因素、諧波等參數進行測量，測量的參數、波形等均可顯示在TFT顯示屏上。

電能質量監測；STM32F407；移相網絡

0 引言

2016年湖南省大學生電子設計競賽C題要求設計并制作一個能同時對工頻交流電各參量進行測量的數字式單相電能質量檢測儀。能測量并顯示電壓、電流有效值，頻率，功率因數，有功功率P，無功功率Q，視在功率S；并能同時顯示一個周期的輸入電壓、輸出電流曲線，并在曲線上計算并標出它們的相位差，指出負荷性質；測量并顯示電壓、電流各次諧波有效值和各次諧波含量（測量至5次諧波）；要求測量準備度在±1%以內，測量誤差≤1%。為方便設計與制作，待測的100～500V交流輸入電壓（有效值）、10～50A交流輸入電源（有效值）均已經由相應的變換器轉換為對應的1～5交流電壓（有效值）。到單片機定時器中進行捕獲實現頻率和相位的測量。單片機處理完數值后將結果顯示在液晶屏上。

主控制器采用ST公司的STM32F407，其內部具有FPU浮點運算功能，結合內部外設能夠簡單有效的對外部信號進行數字處理及顯示。

移相電路采用全通濾波器模擬移相電路。一階全通濾波器的移相范圍接近180°，所以通過設計兩級濾波則可使移相范圍接近360°，此電路簡單可靠。

圖1 系統總體框圖

1 方案設計與論證

2 理論分析與計算

根據設計任務的要求，該系統選用的整體方案框圖如圖1所示。首先，由信號發生器輸出的等效1～5V交流電壓分成兩路，一路直接進行信號處理，另一路經過移相電路得到等效的交流電流信號后再進行信號處理。每一路信號經過兩次信號變換，一次變換為：先經過衰減電路，衰減到單片機能夠處理的電壓范圍，再進行電壓抬升，使輸入單片機的電壓為正電壓，最后通過濾波網絡，濾掉高頻分量后送入單片機，然后在單片機的控制下進行A/D采樣、計算及軟件FFT運算，進行有效值和各次諧波的測量；另一次變換為：將交流變換為矩形波，輸送

2.1 電能質量指標分析

根據題目要求，通過硬件中的波形變換電路，將工頻交流電信號變換為電流和電壓的等效方波信號送至STM32F4，由STM32F4內置定時器捕獲模式計算出相位差和頻率。通過硬件中的衰減電路、抬升電路及抗混疊濾波[1]后送至STM32F4，由STM32F4內部A/D采樣計算出輸入電壓電流信號的有效值。根據相位差和電壓電流的有效值計算出有功功率、無功功率、視在功率、功率因數，利用FFT（快速傅里葉變換）[2]計算諧波電壓含有率及諧波電流含有率[3]。應用取點法，采集波形顯示的相應點，在液晶屏上顯示出來。

圖2 信號調理電路

具體公式如下所示：

有效值電壓U：

同理有效值電流I：

移相是指兩種同頻的信號，以其中一路為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。模擬移相電路的放大倍數：

寫成模和相角的形式為：

其中：

合理的設計R、C參數即可實現-90度到90度的移相。

3 系統硬件和軟件設計

3.1 硬件電路設計

3.1.1 前級信號調理電路設計

題目中給出輸入信號為1V～5V，為使A/D能夠有效采樣信號，需要對輸入信號進行衰減，即兩個電阻串聯分壓；再對衰減了的信號進行抬升，使其沒有負的信號；最后經過濾波電路濾除干擾信號將有用信號送入單片機中進行A/D采樣。其原理圖如圖2所示。

3.1.2 移相電路和波形轉換電路設計

本設計采用模擬移相電路。模擬移相電路其實是一個全通濾波器，其相移范圍接近180°，所以本設計采用2個一階全通濾波器串聯，使得整個移相電路能接近360°的相移范圍。

由于系統需要監測電路的功率與頻率，而測量功率需要檢測輸入電路電壓與電流之間的相位差，單片機實現對兩路正弦波相位差的監測比較麻煩，而對方波信號的檢測相對比較容易，因此我們把正弦波整形成同頻率的方波，通過對方波上升沿的采樣，計算可以得出輸入信號的頻率與相位差。兩者原理圖如圖3所示。

3.2 軟件設計

軟件設計的內容主要是對鍵盤進行掃描、A/D采樣、FFT變換、有效值電壓電流等各參數的計算、顯示波形及各測量值的顯示。流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 結論

本系統以STM32F407ZGT6單片機為控制核心，設計并制作了簡易電能質量檢測儀，利用波形變換法（將正弦波變成矩形波）可以快速獲得頻率和相位差，利用FFT（快速傅立葉變換）對輸入信號進行處理，能快速計算輸入電壓電流有效值等參數。整個系統運行穩定可靠，完成了任務要求的所有功能。

[1]郭紅玉.一種抗混疊濾波器的設計[J].電子設計工程,2015,23(03): 110-112.

[2]解蕾,解大,張延遲.新型電能質量表的算法及實現[J].電測與儀表,2008,45(09):1-4,10.

[3]國家質量都督檢驗檢疫總局,國家標準化管理委員會.電能質量.公用電網諧波:GB/T 14549-1993[S].北京:中國標準出版社,1993.

通迅作者：陽璞瓊，男，博士，南華大學電氣工程學院講師。

董招輝（1980—），女，碩士，講師，從事電子技術理論教學、電力電子技術、儀器儀表研究工作。

課題項目：2016年南華大學校級教改課題“電子設計競賽培訓與大學生創新創業培養協調運行機制研究”（項目編號：2016XJG-ZZ01）。